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8/3/2019 TM leccion 8
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Barcelona, 2008
Enrique Zayas Figueras
Jordi Martnez Miralles
UNIVERSITAT POLITCNICA DE CATALUNYA
ETSEIBDEPARTAMENT DENGINYERIA MECNICA
TECNOLOGAS DE FABRICACIN Y TECNOLOGA DE MQUINAS
Tema 6
UNIONES ATORNILLADAS
PARTE DE TECNOLOGA DE MQUINAS
SUMARIO
Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas
SUMARIO:
2 Fases de trabajo de la unin atornillada. Fallo de la unin.Retencin y aflojamiento de la unin. Aseguramiento contrael aflojamiento de la unin.
3 Normalizacin y terminologa: parmetros y designacin.Elementos de una unin atornillada. Tablas de valoresnormalizados de roscas y clases de resistencias.
1 Introduccin a las uniones atornilladas. Tipos de unionesatornilladas. Fuerza de montaje y fuerza separadora.
Funcin de la unin atornillada.
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SUMARIO
Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas
SUMARIO:
4 Fallo del tornillo. Altura de la tuerca (valores estndares).
5 Montaje sin tensin previa y con fuerza axial separadoraposterior. Montaje con tensin previa sin fuerza separadora.
Conclusiones
Ejercicio de clculo de una unin atornillada mediante unprocedimiento de clculo simplificado.
6
7
OBJETIVOS
Explicar la funcin de una unin atornillada y como evitarel aflojamiento de la misma.
OBJETIVOS:
Identificar y caracterizar los tipos de uniones atornilladas
utilizadas en las mquinas.
Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas
Identificar y caracterizar los elementos que participan enuna unin atornillada.
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OBJETIVOS
OBJETIVOS:
Aplicar la normativa correspondiente a unionesatornilladas.
Explicar los fundamentos tericos para el clculo de unaunin atornillada.
Calcular una unin atornillada mediante unprocedimiento de clculo simplificado.
Ttulo: Introduccin a las uniones atornilladas
INTRODUCCIN A LAS UNIONES ATORNILLADAS
Biela de un motor decombustin interna
Seccin de unrecipiente a presin
Ejemplos de aplicacin de uniones atornilladas
Tornillo
Tuerca
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TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS
1 Tornillo
2 Tuerca
3 Arandela
5 y 6 piezas a unir
Unin ms econmica y segura
Puede unir piezas de poco grosor
Caracterstica de la unin:
Elementos de la uninatornillada:
Unin por tornillo-tuerca
Tornillo-tuerca
Unin por tornillo-tuerca
Fuente: NortonFuente: Fenollosa
TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS
Unin por tornillotaladro roscado
1 Tornillo
2 y 3 Piezas a unir (lapieza inferior tiene eltaladro roscado)
Elementos de la uninatornillada:
Caracterstica de la unin:
Ms cara que la unin por tornillo-tuerca ya que hay que roscarla pieza inferior.
Ms delicada, ya que si se hace mal la rosca, se inutiliza la pieza.
Necesaria cuando la pieza inferior es muy gruesa.
Unin por tornillo-taladroroscado
Tornillo
Fuente: Fenollosa Fuente: Norton
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TIPOS DE UNIONES ATORNILLADAS
Unin por esprrago
1 Esprrago
2 Tuerca
3 y 4 Piezas a unir (lapieza inferior tiene taladroroscado)
Elementos de la uninatornillada:
Unin por esprrago Esprrago
Caracterstica de la unin:
Se utiliza para unir piezas gruesas y delicadas que no admitendesmontaje frecuente.
Fuente: Fenollosa Fuente: Norton
ELEMENTOS DE UNA UNIN ATORNILLADA
Tipos de tornillos
Fuente: Fenollosa
a) Tornillo de cabeza hexagonal
e) Esprrago
c) Tornillo de cabeza cilndrica con ranura
b) Tornillo de cabeza cilndrica con hexgono interior (Allen)
d) Tornillo achaflanado con ranura
Denominacin:
Par de apriete limitadoPar de apriete alto
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ELEMENTOS DE UNA UNIN ATORNILLADA
Tipos de tuercas
a) Tuerca hexagonal (ms usual)
c) Tuerca de orificios cruzados
b) Tuerca redonda aplanada
d) Tuerca ranurada
Fuente: Fenollosa
Denominacin:
FUERZA DE MONTAJE
Fuerza de montaje
Aplanamiento de las superficiesde contacto de las piezas unidas.
Estiramiento del tornillo. Compresin de las piezas unidas.
Los efectos del montaje son:
FM - Fuerza de montaje
El tornillo se tracciona
Las piezas se comprimen
Fuente: Fenollosa
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FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA
Fuerza separadora y funcin de la unin
La fuerza separadora puede ser:
b) Fuerza separadora transversal FT
a) Fuerza separadora axial
c) Fuerza separadora con compo-nentes axial y transversal
Fuerza separadora en una
unin atornillada
En la unin atornillada la funcin del sistema es:
b) Mantener las piezas unidas contra la accin de las fuerzasseparadoras.
a) Unir las piezas
FS
Ejemplos de aplicacin defuerzas separadoras axiales
(biela y recipiente a presin).
Fuente: Fenollosa
SFSF
SFSF
TF
TF
FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA
Fuerza separadora transversal
Unin por friccin
Resistencia por friccin
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FUERZA SEPARADORA Y FUNCIN DE LA UNIN ATORNILLADA
Unin a cizallamiento. Pasadores
Resistencia a cizallamiento
Fuerza separadora transversal
FASES DE TRABAJO
Fases de trabajo en una unin atornillada
Fases en la unin atornillada
1. Fase de Montaje (se unen las piezascon el tornillo y la tuerca y se aprieta la
unin).
1 se coloca a mano hastaque no entre ms.
2 se aprieta haciendofuerza con una llave(aparece ).
2. Fase de servicio (en la cual se aplica lafuerza separadora a las piezas unidas).
SF
SF
FM
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FALLO DE LA UNIN
Fallo de una unin atornillada
El fallo de una unin atornillada se manifiesta por uno o ms delos siguientes efectos:
b) Destruccin de las piezas unidas
a) Ruptura del tornillo
c) Abertura de la unin (separacin de las superficie de contactoentre las piezas):
Por deformacin elstica
Por aflojamiento
RETENCIN Y AFLOJAMIENTO EN LA UNIN ATORNILLADA
Retencin y peligro de aflojamiento en una unin atornillada
Compresin depiezas unidas
Traccin del sistematornillo-tuerca
Fuerza de contactoentre filetes de rosca
Fuente: Fenollosa
Modelo de la unin
a)
b)
pM cM MF F F
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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN
Aseguramiento contra el aflojamiento
Unin atornillada conarandela de presin
Dispositivos generadores de fuerza axial
Dispositivos generadores de fuerza radial
Tuerca con filetes autotensados
Dispositivos de seguridad absoluta
Los sistemas de aseguramiento que seutilizan se basan en los conceptossiguientes:
Fuente: Norton
ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN
Fuente: Fenollosa
Arandela elsticahelicoidal (Grower)
Arandelas generadoras de fuerza axial
Arandela elsticaondulada
Arandelas elsticasdentadas
Arandela elsticatroncocnica(Belleville)
Fuente: Norton
Fuente: Norton
Fuente: Fenollosa
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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN
Tuercas con inserto de arandela elstica. Genera fuerza radial ypar de friccin
Arandelas generadora fuerza radial
Fuente: Norton Fuente: Internet
Anillo deplstico
ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN
Fuente: Fenollosa
Tuerca ycontratuerca
Tuerca con ranura ydeformada
Fuente: Fenollosa
Tuercas con filetes autotensados
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ASEGURAMIENTO CONTRA EL AFLOJAMIENTO DE LA UNIN
Tuerca de corona conpasador de aletas
Tuercas con dispositivos de cierre de seguridad absoluta
Tuerca con placade seguridad
Seguridad a travsde alambre
Fuente: FenollosaFuente: Fenollosa Fuente: Fenollosa
NORMALIZACIN
Terminologa de las uniones atornilladas
Parmetros de la rosca de tornillo
Fuente: Shigley
Avance de la rosca ( ): Distancia que la tuerca acoplada al tornilloavanzar axialmente con una revolucin de la tuerca. Es igual al paso p
de la rosca (distancia entre dos filetes contiguos).
L
2L p
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1
NORMALIZACIN
Rosca de Perfil ISO. Parmetros y designacin
: Dimetro exterior o nominal
: Dimetro de flancos
Parmetros:
,d D
2 2,d D
: Paso
: Dimetro de ncleo3d
p
2
3 34A d
: Seccin del ncleo
Perfil ISO
Fuente: Fenollosa
: Seccin resistentea la traccin
2 3T 4 2
d dA
NORMALIZACIN
Rosca de Perfil ISO. Parmetros y designacin
es gnac n:
Tipo de tornillo Norma clase resistenciaMD l
Rosca mtrica (mm) Longitud (mm)
Ejemplo:
Dimetro nominal (mm)
Dimensiones (mm) y clase de resistencia
Tornillo de cabeza hexagonal ISO 4014 M12 100 8,8
d k L b s
resist.
12 7,5 100 30 18 8,8
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VAL
ORESNORMALIZADO
S
No
ta:
Los
dimetros
indica
dosen
treparn
tes
isse
han
deu
tilizar
lom
nimoposib
le.
Dimens
ionesenmm
ymm
2
Sele
ccinderoscas
paratornillosy
tuercas
Tienee
lpas
o
gran
deyes
la
queseu
tiliza
ha
bitua
lmen
te
Ta
bla1
.V
alores
ISO
714:1
99
3(roscanorma
l)
Fuente:Fenollosa
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VAL
ORESNORMALIZADO
S
No
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Los
dimetros
indica
dosen
treparn
tes
isse
han
deu
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lom
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Dimens
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o
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parap
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Me
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Ta
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.V
alores
ISO
714:1
99
3(rosca
fina
)
Fuente:Fenollosa
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CL
ASESDERESISTENC
IA
Clasesderesistenc
iadetornillosy
tuercas
Tabl
a3
.Clases
deresis
tenc
iaspara
torn
illosy
tuercas
Enlaprctica
seutilizanmayoritariamentelascla
sessiguientes:
Clase5,6:paraso
lic
itac
iones
bajas
Clase8,8:
hab
itua
lcuan
dose
dise
anun
iones
de
bu
enaca
lida
d.
Clases10,9y
12,9:paragran
des
so
lic
itac
iones
Fuen
te:
Feno
llosa
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FALLO DEL TORNILLO
Montaje sin tensin previa y con fuerza separadora axial
posterior
El montaje sin tensin previa casi nunca se presenta en la prctica,pero se estudia como paso previo del estudio ms completo.
Se realiza elapriete a mano
Unin por tornillo-tuerca
Tornillosometidoa traccin
El fallo se puede producir por:
Ruptura del ncleo del tornillo
Aplastamiento de los filetes derosca
Cizallamiento de los filetes de
rosca Por flexin del filete de rosca
Tensin en el ncleo del torni llo:
admT
F
A
2
2 3T 4 2
d dA
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A
LTURA
DELA
TUERC
A
Alturadelatuerca
Aparejamiento
Alturam
nimam
Torn
illoy
tuerca
de
lm
ismoma
teria
l
0,8d
Torn
illodea
cero
8.8
rosca
doen
fun
dicingris
(1,0
1,2
)d
Torn
illodea
cero
10
.9rosca
doen
fun
dicingris
(1,2
1,4
)d
Torn
illodea
cerorosca
doena
lum
iniopuro
2,2d
Torn
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Mg
1F40
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Torn
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cero
8.8
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St37
(1,0
1,3
5)d
Torn
illodea
cero
10
.9rosca
doen
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St37
(1,2
5
1,4
)d
Ta
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fun
dida
dm
nima
d
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lturam
nima
de
latuerca
Fuente:Fenollosa
Fuen
te:
Norto
n
Dimens
ionan
do
adecua
damen
tela
altura
de
latuerca
y
en
consecuenc
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logran
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ien
te,
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leo
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filete
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tuerca
)y
no
fallen
los
filetes
d
e
roscapor:ap
las
tam
ien
to,
ciza
llamien
toy
flex
in.
0,8
m
d
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FALLO DEL TORNILLO
Puntos de ruptura en tornillos con solici tacin dinmica
Puntos de ruptura en tornillos con solicitacin dinmica: en la zona1, el 15% de todas las rupturas; en la zona 2, el 20%; en la zona 3el 65%.
Normalmente los tornillos fallan (ruptura del ncleo) en laseccin del primer filete de rosca en contacto con la tuerca.
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
Montaje con tensin previa y con fuerza separadora axialposterior
Normalmente hace falta apretar el tornillo o la tuerca con un par demontaje MM por tal de originar la fuerza de montaje FM entre las piezasa unir antes de que la unin atornillada entre en servicio.
Para tornillos normalizados (considerando = 0,15 y rosca = 2,5).
El par de montaje crea una torsin en el tornillo que hace faltaconsiderar en el clculo de resistencia (estado biaxial de tensin detraccin-tensin de cizallamiento en el ncleo del tornillo). Paratornillos normalizados hay suficiente en considerar:
como si slo hubiese traccin.
2 2tracci3 1,35e
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Tabla 4. Dispersin del momento aplicado
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
Dispersin de la fuerza de montaje FM
Procedimiento de apriete Dispersin
Llave dinamomtrica 20 % (10 %)
Llave neumtica 40 % +10 %
-30 %
Llave de mano
(eventualmente alargada) 200 %Fuente: Fenollosa
Dispersin que presenta el coeficiente defriccin ( ):
60% rosca no lubricada
20% rosca lubricada
La fuerza de montaje resulta con una dispersin:
M Mmin Mmax'M M M
M Mmin MmaxF F F
MM
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
Dispersin de la fuerza de montaje
Llaves dinamomtricas Llave neumtica
FM
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Estadod
elassuperficies
Estadode
lalubricacin
Tornillo
Tuerca
No
lubricado
Lubricado
c
on
ac
eite
Pastade
MoS2
FosfatadoalMn
Sinrecubrimiento
0,1
4
0,1
8
0,14
0,1
5
0,1
0
0,1
1
FosfatadoalZn
Sinrecubrimiento
0,1
4
0,2
1
0,14
0,1
7
0,1
0
0,1
2
Zincadogalvnic
o
Sinrecubrimiento
0,1
2
0,1
8
0,12
0,1
5
-
Cadmiadogalvnico
Sinrecubrimiento
0,0
8
0,1
2
0,08
0,1
1
-
Zincadogalvnic
o
Zincadogalvnico
0,1
4
0,1
9
0,12
0,1
7
-
Cadmiadogalvnico
Cadmiadogalvnico
0,1
4
0,1
5
0,08
0,1
2
-
Tabla
6.Coeficiente
de
friccin
global
para
diversos
estados
de
sup
erficiesyestadosdelubricacinG
Dispersindelafuerzademontaje
MONTAJE
CON
TENSIN
PREV
IA
FM
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Procedimiento deapriete
Estado lubricacinde la rosca
Llave dinamomtrica Lubricada
No lubricada
1,4
1,8Llave neumtica Lubricada
No lubricada
1,6
2,0
Llave de mano
(eventualmentealargada)
Cualquier estado de
lubricacin 3,0
Tabla 6. Factor de apriete . Valores orientativos
Factor de apriete:
Dispersin de la fuerza de montaje
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
Mmaxc
Mmin
F
F
FM
c
c
Montaje con tensin previa sin fuerza separadora
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
Clculo simplificado (unin normalmente solicitada):
Se solicita el tornillo hasta un 0,7Re (Coeficiente de seguridadCs = 1,4).
Normalmente no hay peligro de que falle el tornillo pero s de que seabra la unin.
Material del tornillo: clase de resistencia 5,6 (y eventualmente 8,8).
Piezas unidas: no son rgidas, sino ms bien elsticas (presencia de juntas elsticas o plsticas intercaladas), superficies de las piezasunidas poco lisas, materiales con E bajo - aleaciones ligeras,plsticos.
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Montaje con tensin previa sin fuerza separadora
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
c
a) FuerzasLa funcin de la unin requiere un valor mnimo, FMmin , de la fuerzade compresin entre las dos piezas unidas.
El factor de apriete, , determina el valor mximo de la fuerza demontaje, FMmax , que se puede llegar a producir:
b) Tensin
El tornillo queda sometido a traccin y a torsin.
En el caso de una rosca normalizada y con coeficiente de friccin
usual , es suficiente calcular el tornillo slo a traccin, y paratener en cuenta la torsin, se le aplica el factor .= 0,15
1,35
c) Seguridad
Mmax c MminF F
Mmax
T
F
A
adm adm adm1,35 1,35 0,75
Montaje con tensin previa sin fuerza separadora
MONTAJE CON TENSIN PREVIA
d) Tensin admisible
e) Momento de montaje
Clculo aproximado:
Momento que se ha de prescribir en el montaje (Momento nominal):
adm e adm
e e
0,7 ( 1,4) ; 0,75
0,75 0,7 0,52
sR C
R R
M Mmax' 0,2M F d
M M' / 1,1M M
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CLCULO DE UNA UNIN ATORNILLADA
Ejercicio de clculo simpli ficado de una unin de calidad normal,donde no se considera la accin de la fuerza separadora.
Determinar tornillos a emplear (nmero, mtrica y material)
Determinar el momento de montaje (momento para apretar lostornillos).
Datos:
La figura representa la tapa deuna caja de engranajes.
Para que sta sea estanca alaceite, se dispone de una juntaque ha de ser comprimida con
una presin de 3 N/m2.
Seccin de la unin
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES:
Las uniones atornilladas son simples, pero de gran importanciaen el diseo mecnico. Estn presente en casi toda mquina osistema mecnico. Estas son de tres tipos: por tornillo-tuerca,por tornillo -taladro roscado y por esprrago.
1
La funcin de la unin atornillada es unir piezas y evitar que laspiezas un idas se separen.
2
Las fases de trabajo de una unin atornillada son dos: la fasede montaje (donde aparece la fuerza de montaje FM) y la fase deservicio (donde se aplica la fuerza separadora FS).
3
La fuerza separadora que acta en una unin atornillada puedeser: axial, transversal y combinada.
4
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CONCLUSIONES
CONCLUSIONES:
La unin atornillada puede fallar por tres causas: destruccinde tornillo, destruccin de las piezas unidas y abertura de launin. En esta ltima se ha hecho nfasis en el aflojamiento,exponindose sus causas y los sistemas de aseguramientocontra esta falla: arandelas generadoras de fuerza axial y defuerza radial, tuercas con filetes autotensado y dispositivosde cierra de seguridad absoluta.
4
Para unir piezas se utiliza el perfil triangular, en particular seha explicado el Perfil ISO, su designacin, parmetros yvalores normalizados de los tornillos, tuercas y roscas, ascomo las clases de resistencias siendo las ms comunes: 5,6;8.8; 10.9 y 12, 9.
5
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES:
El clculo de una unin atornillada poco solicitada es uncalculo simplificado.
Durante el montaje el tornillo se solicita hasta el 70% de su
lmite elsticoR
e .El momento de montaje MM se determina de maneraaproximada a partir del dimetro nominal del tornillo y delvalor de la fuerza de montaje mxima, la cual tiene en cuentael factor de apriete .
6
c